Cimentos ósseos multifuncionais injetáveis

Abstract

O objetivo desta dissertação consistiu na obtenção de um cimento ósseo multifuncional injetável, com propriedades magnetotérmicas e elevada capacidade regenerativa. Na primeira parte do trabalho, foram sintetizados pós de fosfatos de cálcio não dopados e dopados com diferentes teores de iões Fe (0-10 mol.%) por precipitação química em meio aquoso. Foi estudada a influência do teor de ferro, do estado de oxidação do ião precursor (Fe2+ e Fe3+) e da temperatura do tratamento térmico (1000-1100ºC) na estrutura, morfologia e propriedades biológicas e magnéticas dos pós de b-fosfato tricálcico dopados. A incorporação do Fe na estrutura cristalina foi provada por Difração de Raios-X complementada com refinamento de Rietveld e FT-IR. A presença do ião Fe deu lugar ao aparecimento de uma nova fase, Ca9Fe(PO4)7, para teores de Ferro ≥ 7-mol%. O aumento da concentração de ferro originou a diminuição dos parâmetros de rede a e c e afetou a morfologia dos pós. Os pós dopados mostraram ter um comportamento aparentemente antiferromagnético, aumentando a magnetização a 40 000 Oe com o aumento do teor de Ferro e com o Fe2+ como ião precursor em relação ao Fe3+. Os cimentos de fosfato de cálcio foram preparados através da mistura de pós TCP dopados com 0, 3 e 7% molar de ferro calcinados a 1100°C (TCP0Fe-1100, TCP3Fe2+-1100 e TCP7Fe2+-1100) e fosfato monocálcico monohidratado (MCPM) com uma solução aquosa 5 wt.% de ácido cítrico. As pastas cimentícias foram caracterizadas quanto aos tempos de presa e injetabilidade. Os cimentos endurecidos foram avaliados por resistência à compressão, porosidades e fases cristalinas formadas. A presença da fase Ca9Fe(PO4)7 dificultou a reação de presa para os cimentos com 7 mol.% Fe, que apresentaram tempos de presa demasiado longos, inviáveis para cimentos injetáveis. A adição de 15 wt.% de um outro pó (HTCP7Fe3+-1100) também dopado com 7 mol% de ferro, contendo na composição das fases cristalinas maior percentagem de fase b-TCP em vez de Ca9Fe(PO4)7, permitiu a diminuição dos longos tempos de presa deste cimento. Todas as pastas cimentícias testadas apresentaram bom desempenho na injetabilidade, sendo visível alguma falta de coesão na pasta, que afetou as propriedades de resistência à compressão a húmido dos cimentos endurecidos. O cimento obtido apresentou um comportamento magnético semelhante aos pós precursores. A adição de nanopartículas de magnetite (NPs) ao cimento obtido com pós dopados melhorou a sua magnetização, que foi superior quando comparada com um cimento obtido com pós puros na presença da mesma quantidade de NPs, mostrando a vantagem da presença do ferro nos pós dopados. Contudo, os pós precursores do cimento sem a presença de nanopartículas não apresentaram resposta magnetotérmica, não atingindo a temperatura desejada (39-46°C) para tratamento hipertérmico.

The main objective of this work was the development of an injectable and multifunctional bone cement, with the ability to stimulate osteoblastic differentiation, as well as an improvement of its injectability and compressive strength properties. On the first part of this work, calcium phosphate powders undoped and doped with iron were synthesized with different molar concentrations of iron ions (0-10 mol.%) by aqueous precipitation method. The influence of the iron molar concentration, the valence of iron ion precursor (Fe2+ and Fe3+) and the thermal treatment temperature (1000-1100ºC) on the structure, morphology, biological and magnetic properties of the iron doped b-tricalcium phosphate powders was studied. The incorporation of Fe on the crystal structure was proved by X-ray Diffraction and complemented with Rietveld’s refinement and IR-FT. A new phase, Ca9Fe(PO4)7, appeared with the presence of iron for concentrations above 7 mol.%. The increase of iron concentration lead to a decrease on a and c lattice parameters and affected the powders’ morphology. The doped powders showed an apparently antiferromagnetic behavior, increasing the magnetization at 40 000 Oe as the iron content increases and with Fe2+ as precursor ion in relation to Fe3+. Calcium phosphate bone cements were prepared by mixing TCP-Fe powders doped with 0, 3 and 7 mol.% of iron, heat treated at 1100ºC (TCP0Fe-1100, TCP3Fe2+-1100 e TCP7Fe2+-1100) and monocalcium phosphate monohydrated (MCPM) with a 5 wt.% of citric acid solution, as setting liquid. The cement pastes were characterized by setting time and injectability. The hardened cements were evaluated by compressive strength, total porosity and crystal phases. The presence of Ca9Fe(PO4)7 hampered the setting reaction for the cements with 7 mol.% Fe, which showed long setting times, undermining to injectable bone cements. Adding 15 wt.% of another powder (HTCP7Fe3+-1100), also doped with 7 mol.% of iron and containing b-TCP as main crystal phase instead of Ca9Fe(PO4)7, allowed the decreasing of long setting times of this cement. All of the tested cement pastes showed good injectability performance, although a certain lack of cohesion of the paste was observed, reflecting on compressive strength properties of the hardened cements immersed on PBS solution. The obtained cement showed a magnetic behavior similar to the precursor powders. Adding magnetite nanoparticles (NPs) to the cement obtained with doped powders improved its magnetization, which was superior when compared to a cement obtained with pure powders in the presence of the same amount of NPs, showing the advantage of iron in the powders. However, cement precursor powders without nanoparticles showed no magnetothermic response, not reaching the desired temperature (39-46°C) for hyperthermia treatment